WO1993017473A1 - Laser - Google Patents

Description

明 細 書

レーザ発振器

技 術 分 野

本発明は レーザ発振器、 特に レーザ加工装置に用い ら れる レーザ発振器に関する。

背 景 技 術

レーザ加工装置は金属、 非金属に対する レーザ切断、 レーザ溶接な どの熱処理を行な う工作機械の一つと して 広く 利用されてきている。 図 1 は従来の レーザ加工装置 の概要を示す。 レーザ加工装置 1 は レーザ発振器 9 0、 レーザ工作機 3 及び数値制御装置 4 を備え、 レーザ発振 器 9 0 から出力される レーザビームは遮光ダク ト 5 内を 通って レーザ工作機 3 の加工へッ ド 6 に到達する。 集光 レ ンズを有する加工へッ ド 6 の上下方向の位置は、 数値 制御装置 4 の指令に基づいて図示 しない Z軸移動機構に よ り調節される。 加工へ ッ ド 6 の集光 レ ンズは レーザェ 作機 3 の X— Yテーブル上に載置された被加工物 7 の加 ェ点に レーザビームを集光し、 被加工物 7 が加工される _c 図 2 a、 2 b 及び 2 c は、 レーザ発振器 9 0 内に設け られた従来の レーザ共振器 8 0 の構成を示す。 レーザ共 振器 8 0 は、 枠体 9 、 ガス励起装置 1 0及びガス冷却装 置 1 1 を備える。 枠体 9 は、 アル ミ 板製の前板 1 2 及び 後板 1 3 と、 前板 1 2 と後板 1 3 を結合する 4本の ロ ッ ド 1 4 から成り 、 外力よ つて変形 し難いよ う に頑丈に構 成されてい る。 各ロ ッ ド 1 4 は、 熱によ る枠体 9 の寸法 変化を極力避けるためにィ ンバ一等の材料を用いて管状 に形成され、 レーザ共振器 8 0が稼働中は内部に冷却水 が通される。 こ のよ う に して、 枠体 9 は熱変形が極めて 小さ く なるよう に設計されている。

ガス励起装置 1 0 は互いに平行に配設された放電管

1 5 a及び 1 5 b、 放電管 1 5 a及び 1 5 b の周壁に互 いに対向して設けられた電極 1 6 a及び 1 6 b 、 電極 1 6 a及び 1 6 b に接続された高周波電源 1 6 を備える。 2本の放電管 1 5 a及び 1 5 b の両端部は夫々前板 1 2 と後扳 1 3 に放電管ホルダー 2 0 を介 して固定されてい る。 後板 1 3 には互いに 9 0 ° の角をなすよ う配置され た 2つの反射鏡 1 8 を備えた折返しブロ ッ ク 2 1 が取付 けられ、 これによ り 放電管 1 5 a と放電管 1 5 b が互い に結合されている。 放電管 1 5 a と放電管 1 5 b の内部 空間は折返しブロ ッ ク 2 1 によ って一体に連結されて一 つの共振空間が形成される。 放電管 1 5 a の前板 1 2 の 近傍に位置する一端には出力鏡 1 7 が、 放電管 1 5 の 前板 1 2 の近傍に位置する一端には リ ア鏡 1 9 が取付け られている。

高周波電源 1 6 か ら 電力 を印加 し て電極 1 6 a と

1 6 b の間で放電さ せ、 放電管 1 5 a 及び 1 5 b 内の C 02 ガスを励起する。 励起されたガスから放出された レーザ光は放電管中で出力鏡 1 7 と リ ア鏡 1 9 の間を反 復往復する間に増幅され、 その一部がレーザビーム 2 2 となって出力鏡 1 7 から前方 （図 2 中の左方） に放出さ る ο

ガス冷却装置 1 1 はルーツブロア 2 3 、 ノレ一ッブロア 2 3 の吸入側 と 吐出側に配置された熱交換器 2 4 及び

2 5 、 及びパイ ブ 2 6 で構成される。 ルー ツブロア 2 3 が作動する とパイブ 2 6 内を熱交換器 2 4及び 2 5 で温 度調整されたガスが循環 し、 放電管 1 5 a 及び 1 5 b 内 のガスが冷却される。

シ ャ ッ タ ー ミ ラー 2 7 は レーザ加工の一時停止時に使 用 される。 シ ャ ツ 夕 一 ミ ラー 2 7 が点線で示すよ う に光 路内に挿入されている時は、 レーザビーム 2 2 が加工用 の主光路から逸され、 ビームァブソーバ 2 8 に吸収され る。 ビーム位相調整ユニ ッ ト 2 9 は、 内部に位相遅延反 射鏡 3 0及び 0 シフ ト反射鏡 3 1 を備えている。 ビーム 位相調整ュニ ッ ト 2 9 は直線偏光レーザビームを円偏光 レーザ ビーム に変換する。

レーザ加工は一般に、 レーザ発振器 8 0 から 出力され た レーザビームを集光して行なわれる。 こ のと き、 レ一 ザ発振器 8 0 の レーザビーム出口 と加工点の間の距離は その レーザ加工性能に大きな影響を与える。

図 5 は、 レ ー ザ共振器の放電管 1 5 と レーザ ビー ム

2 2 を模式的に示 した も のであ り 、 放電管 1 5 の リ ア鏡 1 9 と 出力鏡 1 7 の間の区間 Aで反復反射されて増幅さ れ、 出力鏡 1 7 を通って出射された レーザ ビー ム 2 2 は、 光路長が大き く なる に したがって拡がってい く 特性があ る。 レーザ加工は様々 な要因によ り加工性能が変化する が、 特に集光レ ンズを設ける位置における レーザビーム 2 2 の径、 拡がり 角度及び強度分布 （横モー ド） によ つ て大き く 影響を受ける。 このよ う に レーザ共振器の出力 鏡 1 7 と レーザ工作機 3 の加工点との間の距離 （光路長） は、 レーザ加工性能を制限する重要な要素である。

例えば、 レーザ切断の場合、 区域 Bでは レーザビーム 2 2 の拡がり 角度が小さ く 、 また横モー ドは、 （ I ) 或 いは （ H ) に示すよ う に低次マルチモー ド或いは リ ング モー ドであ り 、 さ らに、 出力鏡 1 7 の縁部分から出射す る光の回折現象の影響で、 良好な切断が出来ない。 また、 区域 Dでは、 レーザビーム 2 2 の径が大き く な り過ぎて いる。 これに対し、 区域 Cでは、 （ HI ) に示すよ う に横 モー ドがシングルモー ドに近く 、 また レーザビーム 2 2 の拡が り も適切であ っ て、 レーザ切断に最適であ る。

C 0 2 ガス レーザの ビームを用いた切断実験によれば、 前記の区域 Cは出力鏡 1 7 から 3 π！〜 6 mの範囲にあ り、 この範囲に集光レ ンズを配置 したと きの出力鏡 1 7 と加 ェ点との距離が最適光路長となる。

前記の最適光路長を得るために、 従来、 レーザ発振器 2 0 と レーザ工作機 3 との導光路距離 L i を図 1 及び図 3 に示すよ う に、 比較的大き く 取っていた。 しか し、 導 光路距離 がこのよ う に大きなこ と は、 レーザ加工装 置 1 を全体と してコ ンパク ト に構成する上で一つの制限 となり 、 設計の自由度を小さ く している。 更に、 従来、 加工点において円偏光を必要とする場合、 図 3 に示すよ う に ビーム調整ュニ ッ ト 2 9 を外付け しているが、 ュニ ッ ト内部の反射鏡に塵埃が付着 して レーザ加工の性能が 低下 しやすい。

発 明 の 開 示

こ の発明は、 レーザ工作機との間の距離を小さ く する こ とができ る レーザ発振器を提供する。

本発明の レーザ発振器は、 レーザビームを放出する レ 一ザ共振器と、 レーザ共振器から放出された レーザビー ムを反射して折返す折返 し手段とを備え、 レーザ共振器 から放出された レーザビームは、 折返 し手段によ って折 返されて所定の光路長を進行 した後に レーザ発振器から 出力される。

本発明の一態様によれば、 折返 し手段は レーザ共振器 から放出される レーザビームの方向を反転させ、 レーザ 共振器から出力された レーザビームは、 少な く と も レー ザ共振器の前後長に相当する長さの光路を進行 した後に レーザ発振器か ら出力される。

上記の折返 し手段は、 レーザ共振器の出力鏡の近傍に、 且つ互いに 9 0 度の角度をなすよ う に配設された第 1 及 び第 2 の反射鏡から構成する こ とが出来、 出力鏡か ら出 力された レーザ ビームは第 1 及び第 2 の反射鏡によ って 即座に 2 回反射される。 上記の第 1 及び第 2 の反射鏡の 内の一方を位相遅延反射鏡とする こ とが出来る。

図面の簡単な説明

図 1 は従来の レーザ加工装置を示す斜視図、 図 2 aは従来のレーザ共振器の構成を示す平面図、 図 2 bはその正面図、 図 2 c はその側面図、

図 3 は従来のレーザ加工装置の レーザ工作機と レーザ 発振器の位置関係を示す平面図、

図 4は本発明に係る レーザ加工装置のレーザ工作機と レーザ発振器の位置関係を示す平面図、

図 5 はレーザビームの出射状態を示す説明図、

図 6 aは本発明の第 1実施例に係る レーザ共振器の構 成を示す平面図、 図 6 b はその正面図、 図 6 c はその側 面図、 図 6 dは放電管の配置を示す説明図、

図 7 aは本発明の第 2実施例に係る レーザ共振器の構 成を示す平面図、 図 7 b はその正面図、 図 7 c はその側 面図、

図 8 は図 6 a〜 6 dに示した第 1実施例に於いて光路 が折り返される状態を示す説明図、

図 9 は図 7 a〜 7 c に示した第 2実施例に於いて光路 が折り返される状態を示す説明図、

図 1 0 aは本発明の第 3実施例に係る レーザ共振器を 示す平面図、 図 1 0 bはその正面図、 図 1 0 c はレーザ ビームの出射状態を示す説明図である。

発明を実施するための最良の形態

図 6 a、 6 b、 6 c及び 6 dには本発明の第 1実施例 に係る レーザ発振器のレーザ共振器 8 1が示されている。

図 6 a、 6 b、 6 c及び 6 dに於いて、 枠体のロ ッ ド、 ガス励起装置、 ガス冷却装置の構成は、 図 2 に示したレ 一ザ共振器 8 0 の枠体 9 の ロ ッ ド 1 4 、 ガス励起装置 1 0、 ガス冷却装置 1 1 等と同様の構成であるので省略 されている。 又、 図 2 に示 した従来例と同一又は同等の 機能を有する部材には同一の符号が付されてお り 、 詳 し い説明は省略する。

図 2 に示 した従来例と同様、 レーザ共振器 8 1 は互い に平行に配設された 2本の放電管 1 5 a及び 1 5 b を備 え放電管 1 5 a 及び 1 5 b 、 は放電管ホルダー 2 0 を介 して前板 1 2 と後板 1 3 に取付け られてい る。 後板 1 3 の後面には互いに 9 0 ° の角度をなすよ う配置された反 射鏡 1 8 を備えた折返 しブロ ッ ク 2 1 が固定され、 これ によ り 放電管 1 5 a と放電管 1 5 b が互いに連結されて いる。 放電管 1 5 a の一端には出力鏡 1 7 が、 ま た、 放 電管 1 5 b の一端には リ ア鏡 1 9 が配置されている。

第 1 及び第 2 の付加反射鏡 3 3 a及び 3 3 b は付加ブ ロ ッ ク 3 2 を介 して前板 1 2 に取付け られている。 付加 反射鏡 3 3 a及び 3 3 b は、 付加ブロ ッ ク 3 2 に互いに 9 0 ° の角度をな して取付け られてお り 、 第 1 の付加反 射鏡 3 3 a は出力鏡 1 7 か ら放出 さ れる レーザ ビー ム 2 2 を第 2 の付加反射鏡 3 3 b に向かって反射 し、 第 2 の付加反射鏡 3 3 b は第 1 付加反射鏡 3 3 a か らの レー ザビーム 2 2 を後方に向けて反射する。 こ れに よ り 出力 鏡 1 7 か ら放出 さ れ る レーザ ビーム 2 2 はその方向が 1 8 0 ° 転換する。 付加遮光ダク ト 3 4 は、 前板 1 2 と 後板 1 3 を貫通 し、 放電管 1 5 a 及び 1 5 b と平行に配 設されている。 付加遮光ダク ト 3 4 の前端は第 2 の付加 反射鏡 3 2 b に近接しており、 後端は後方に向けて開放 されている。

レーザ共振器 8 1 が駆動されると、 図 8 に示す如く 、 レーザビームは放電管 1 5 a及び 1 5 b内で出力鏡 1 7 と リア鏡 1 9の間を反復往復する間に増幅されて出力鏡 1 7から前方に向けて放出される。 放出されたレーザビ ー ムは、 出力鏡 1 7 の近傍に配置さ れた付加反射鏡 3 3 a及び 3 3 b によって即座に 2回反射されて折返さ れ、 付加遮光ダク ト 3 4 内の導光路を通って放電管 1 5 a及び 1 5 b と平行に進行し、 レーザ発振器の出力 となる。 即ち、 出力鏡 1 7から出射されたレーザビーム はレーザ共振器 8 1 内を貫通して進行し、 その方向は出 力鏡 1 7から出射されたときの方向とは逆となる。

上記の構成により、 レーザ発振器から出力される レー ザビーム 2 2は、 すでに少な く と も レーザ共振器 8 1の 前後長に相当する光路長を進行している。 従って、 図 4 に示す如く 、 本実施例のレーザ発振器 9 1 をレーザ工作 機 3 に、 最適の光路長が得られるよう接続するとき、 両 者の間の導光路の長さ （遮光ダク ト 5の長さ） L ₂ はレ 一ザ共振器 8 1 の前後長に相当する長さだけ短く なり、 レーザ加工装置全体をコ ンパク トに構成できる。 又、 レ 一ザ発振器と レーザ加工機間の光路長を長く とる必要が ないので、 レーザ加工装置を設計する上での自由度が大 き く なる。 出力鏡 1 7 か ら出射された レーザビーム 2 2 は付加反 射鏡 3 3 a 及び 3 3 bで折返され、 熱変形が小さ く な る よ う に設計された枠体 9 の前板 1 2 と後板 1 3 間の距離 を進行するので、 これによ り 得られる光路長は、 極めて 正確な もの とな る。

また、 付加反射鏡 3 3 a と 3 3 b の う ちの一方を位相 遅延反射鏡と し、 他方を 0 シフ ト反射鏡とすれば、 これ らは図 3 に示 した ビーム位相調整ュニ ッ ト 2 9 を構成す る こ と にな り 、 従来の ビーム位相調整ュニ ッ ト 2 9 がレ 一ザ発振器 9 1 の内部に組み込まれた こ と にな る。

これによ り 、 レーザ発振器の内部で円偏光ビームを得 る こ とが出来るので、 汚染を被り やすい レーザ加工装置 の外部光学系を簡略に構成する こ とができ る。

次に、 図 7 a 、 7 b及び 7 c を参照 して本発明の第 2 実施例について説明する。 本実施例の レーザ共振器 8 2 は、 4本の放電管 1 5 a 、 1 5 b 、 1 5 c 及び 1 5 d が 枠体 9 の前板 1 2 と後板 1 3 の間に固定され、 放電管内 の共振空間が 2 回折返された構造とな っている。 こ のよ う な構造を達成するため、 互いに 9 0 ° の角度をなすよ う に配置された 2個の反射鏡 1 8 を備えた折り 返 しプロ ッ ク 2 1 が、 前板 1 2 に 1 個、 後板 1 3 に 2 個取付け ら れている。

前板 1 2 に取付け られた折返 しブロ ッ ク 2 1 の近傍に は、 互いに 9 0 ° の角度をなすよ う に配置された付加反 射鏡 3 3 a 及び 3 3 b を備えた付加プロ ッ ク 3 2 が配設 され、 放電管 1 5 の出力鏡 1 7から出射されたレーザビ ーム 2 2は、 第 1 の付加反射鏡 3 3 a及び第 2 の付加反 射鏡 3 3 a で反射されて折返される。 前板 1 2 と後扳 1 3間には、 第 1実施例の場合と同様に、 付加遮光ダク ト 3 4が放電管 1 5 a〜 1 5 d と平行に、 且つ、 これら 4本の放電管 1 5 a〜 l 5 dが配置された空間の中央を 前後方向に貫通して、 配設されている。 付加遮光ダク 卜 3 4の前端は第 2 の付加反射鏡 3 3 b に臨み、 後端は後 扳 1 3を貫通した位置で後方に開放されている。

レーザ共振器 8 2が駆動されると、 図 9 に示す如く 、 放電管 1 5 a〜 l 5 d内でリ ァ鏡 1 9 と出力鏡 1 7間で 反射鏡 1 8で折返されながら反復往復して増幅されたレ 一ザビームは出力鏡 1 7から出射される。 出射されたレ 一ザビームは、 第 1 の付加反射鏡 3 3 a及び第 2 の付加 反射鏡 3 3 bで即座に折返され、 付加遮光ダク 卜 3 4を 通って後方に出力される。 従って、 本実施例の場合も レ 一ザ発振器 2から出力されたレーザビーム 2 2 は、 レー ザ共振器 8 2から出射される前にレーザ共振器 8 2 の前 後距離に相当する光路長を進行する。 これによ り レーザ 発振器 9 1 と レーザ工作機 3間の光路長を短く するこ と ができ る。

図 1 0 a、 1 0 b及び 1 0 cは本発明の第 3実施例を 示し、 後板 1 3 に長焦点レ ンズ 3 5が設けられている点 が異なる。

長焦点レンズ 3 5 は、 付加遮光ダク ト 3 4の後端の開 口部に レ ンズホルダ 3 6 を介 して取付け られている。 従 つ て、 出力鏡 1 7 から出射された レーザビーム 2 2 は付 加反射鏡 3 3 で折返された後、 長焦点レ ンズ 3 5 を通過 してレーザ発振器から出力される。

図 1 0 c に示す如 く 、 長焦点レ ンズ 3 5 は出力された レーザー ビーム 2 2 の拡がり 角度を調整するための もの で、 これを使用する こ と によ り 、 図 5 に示 した区域 C に おける レーザー ビーム 2 2 の状態、 例えば、 加工点にお いて必要な焦点深度を得るための ビー ムの拡がり をよ り 好ま しい状態に維持する こ とができ る。 そ して、 本実施 例において、 長焦点レ ンズ 3 5 は構造上寸法的に安定し た枠体 9 に取付け られてい るので、 外付けの場合に比較 し、 前記の機能が安定して、 また、 正確に発揮される。 前述 した実施例では、 出力鏡 1 7 か ら出射された レー ザビーム 2 2 は、 ただちに 2 回反射された後、 レーザ発 振器か ら出力されるが、 付加反射鏡 3 3 の数を増加 して、 更に少な く と も 1 回反射させた後に レーザ発振器か ら出 力する よ う に構成 して も よい。 こ の場合には レーザ発振 器と レーザ工作機との距離を更に短く する こ とが出来る。 ま たこ の場合には、 レーザ発振器から出力 される レーザ ビーム 2 2 の方向が出力鏡 1 7 か ら出射されたと き の レ 一ザビーム 2 2 の方向と同 じ方向とな る こ とがある。

レーザ共振器 8 1、 8 1 及び 8 3 における付加遮光ダ ク ト 3 4 は省略 して もよい。 この場合、 前板 1 2 と後板 1 3 に同軸に並んだ貫通孔を設け、 こ の貫通孔を通って レーザビーム 2 2がレーザ共振器から出力される。

付加ブロ ッ ク 3 2 は枠体 9から離れた位置に配設して もよい。 しかし、 出力鏡 1 7から出射されたレーザビー ム 2 2が折返されるこ とにより得られる光路長を正確な ものとするため、 付加ブロ ッ ク 3 2が枠体 9 に何等かの 手段で固定されるように構成するこ とが好ま しい。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . レーザビームを放出する レーザ共振器と、

レーザ共振器から放出された レーザビームを反射 して 折返す折返 し手段とを備え、

前記レーザ共振器から放出された レーザビームは、 前 記折返 し手段によ っ て折返されて所定の光路長を進行し た後に レーザ発振器から出力される、 レーザ発振器。

2 . 前記折返 し手段は レーザ共振器か ら放出される レー ザビームの方向を反転させ、 レーザ共振器から放出され た レーザビームは、 少な く と も レーザ共振器の前後長に 相当する長さの光路を進行した後に レーザ発振器か ら出 力される、 請求の範囲第 1 項に記載の レーザ発振器。

3 . 前記レーザ共振器は出力鏡を有 し、 前記折返し手段 は前記出力鏡の近傍で、 且つ互いに 9 0度の角度をなす よ う に配設された第 1 及び第 2 の反射鏡か ら成り 、 前記 出力鏡から放出 された レーザ ビームは前記第 1 及び第 2 の付加反射鏡によ って即座に 2 回反射される、 請求の範 囲第 2 項に記載の レーザ発振器。

4 . 前記レーザ共振器は、 互いに平行に配設され且つ反 射鏡によ っ て結合されて内部に連続した共振空間が形成 された複数の放電管を備え、 前記折返 し手段によ っ て折 返された レーザビームは前記複数の放電管と平行に進行 する、 請求の範囲第 1 項に記載の レーザ発振器。

5 . 前記折返 し手段によ って折返された レーザビームは 前記複数の放電管で囲まれた空間内で前記放電管と平行 に進行する、 請求の範囲第 3 項に記載の レーザ発振器。

6 . 前記折返し手段は位相遅延反射鏡を含む、 請求の範 囲第 1項に記載の レーザ発振器。

7 . 前記レーザ発振器は、 前記折返し手段によ って折返 されたレーザビームの拡がり 角度を調整する長焦点レ ン ズを備える、 請求の範囲第 1 項に記載の レーザ発振器。

8 . レーザビームが放出される出力鏡を有する レーザ共 ίκ ¾^と、

レーザ共振器の出力鏡の近傍に配設された第 1 及び第 2 の反射鏡とを備え、

前記出力鏡から放出された レーザビームは前記第 1及 び第 2 の付加反射鏡によ って即座に 2 回反射され、 前記 出力鏡から放出された方向とは反対方向に出力される、 レ一ザ発振器。

9 . 前記第 1及び第 2 の反射鏡の う ちの一方は位相遅延 反射鏡であ る、 請求の範囲第 8項に記載の レーザ発振器。

1 0 . 前記レーザ発振器は、 前記第 1 及び第 2 の反射鏡 によって反射された レーザビームの拡がり 角度を調整す るための長焦点レ ンズを備える、 請求の範囲第 8項に記 載の レーザ発振器。